Розрахунок катодного захисту трубопроводів від корозії
Розрахунок і вибір катодної установки.
При проектуванні катодного захисту трубопроводу одним з найважливіших етапів розрахунку є визначення електричних параметрів трубопроводу. До них відносяться:
-
RТ
поздовжній опір трубопроводу, Ом · м;
Rn
перехідний опір «труба – земля», Ом · м;
стала поширення струму вздовж трубопроводу, 1/м;
ZB
вхідний опір трубопроводу, Ом;
y
відстань між трубопроводом і анодним заземленням, м;
l3
відстань між катодними установками, м;
I
сила струму катодної установки, А;
U
напруга на виході катодної станції, В;
W
потужність на виході катодної станції, Вт.
Поздовжній опір трубопроводу, що має стандартні розміри може бути розрахований за формулою, Ом/м:
, (1)
де
-
питомий електричний опір металу,
D
діаметр трубопроводу, мм;
товщина стінки трубопроводу, мм
Величина перехідного опору «труба-земля» вираховують за формулою, Ом. м:·
(2)
де
-
перехідний опір ізоляції трубопроводу залежно від питомого опору ґрунту, Ом · м2 (таб.4)
D
діаметр трубопроводу, м.
Таблиця 4 - Перехідний опір ізоляції трубопроводу Rп.із
|
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
100 |
150 |
Початковий період, Ом · м2 |
1300 |
1700 |
2000 |
2500 |
2800 |
3900 |
4600 |
Те саме через 5 років, Ом · м2 |
650 |
900 |
1100 |
1300 |
1500 |
2100 |
2600 |
Те саме через 10 років, Ом · м2 |
300 |
400 |
500 |
650 |
750 |
1100 |
1400 |
ґрунту
Ом · м
Сталу поширення струму вздовж трубопроводу, 1/м, визначають за формулою:
(3)
Вихідний
опір трубопроводу 
при
однакових електричних параметрах лівого
і правого пліч, Ом, визначають за формулою:
(4)
Відстань
між трубопроводом і анодним заземленням
розраховують, знайшовши на номограмі
(рис. 2) допоміжні величини
Для установок з екранним заземленням одержану величину помножують на коефіцієнт 1,4.
На
осі абсцис номограми відкладено величину
Знаючи
величину
і
визначивши за її допомогою
,
знаходять відстань між трубопроводом
і анодним заземленням, м
(5)
Рис.2
- Номограма для визначення значень
по
питомому опору землі
.
а) Uт.з.о.
= –0,95В; б) Uт.з.о.
= –0,55В
Відстань
між катодними установками (плече захисту)
знаходять
на номограмі. На осі ординат номограми
відкладено величину
За
відомим значенням
знаходимо
значення
,
а потім плече захисту
,м:
(6)
Силу струму УКЗ, А, визначають із залежності:
(7)
де
-
накладена різниця потенціалів «труба-земля» в точці дренажу, В;
питомий опір грунту, Ом м
Для вологих грунтів приймають такою,що дорівнює = –0,55 В, для сухих грунтів = –0,95 В.
Напругу на виході катодної станції, В, визначають за формулою:
, (8)
де
-
опір дренажних проводів, які з’єднують катодну станцію з трубопроводом і анодним заземленням, Ом;
опір розтіканню анодного заземлення, Ом, з таблиць
Опір дренажних проводів , Ом, визначають з виразу:
, (9)
де
-
питомий опір матеріалу проводів,
(для алюмінію
);
yc
довжина спусків проводів з опор до катодної станції, анодного заземлення й трубопроводу, м;
S
переріз проводу, мм2
Переріз проводу визначають:
, (10)
де
-
опір схеми СКЗ, що дорівнює 1,5 Ом.
Потужність на виході катодної станції, Вт, визначають за формулою:
(11)
Відповідно до величини розрахованої потужності за нормальним рядом обирають тип катодної станції.
З часом експлуатації трубопроводу електричні параметри його змінюються і виникає необхідність установлення додаткових УКЗ на дільницях, де крива різниці потенціалів «труба-земля» близька до мінімально допустимих значень.
Приклад
Провести вибір типу станції катодного захисту газопроводу при таких вихідних даних:
діаметр трубопроводу D=1020 мм;
товщина стінки =10 мм;
довжина L = 420 км;
питомий
електричний опір ґрунту
=
30 Ом • м;
опір
дренажних проводів
=0,3 Ом;
накладена різниця потенціалів «труба – земля» в точці дренажу
=
- 0,95
В;
довжина
спусків проводів
=
40 м;
опір розтіканню анодного заземлення = 0,65 Ом.
Таблиця 5 - Опір заземлення із електродів ЗКА-140 (ЗЖК-12-КА)
Кількість електродів |
Питомий опір ґрунту, Ом м |
|||||||||||||||
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
||||||
Однорядне заземлення |
||||||||||||||||
|
|
0,77 |
1,54 |
2,31 |
3,08 |
3,85 |
4,52 |
5,39 |
6,16 |
6,93 |
7,70 |
||||||
|
|
0,55 |
1,30 |
1,95 |
2,60 |
3,25 |
3,90 |
4,55 |
5,20 |
5,83 |
6,50 |
||||||
|
|
0,52 |
1,12 |
1,58 |
2,24 |
2,80 |
3,36 |
3,92 |
4,48 |
5,04 |
5,60 |
||||||
|
|
0,50 |
1,00 |
1,50 |
2,00 |
2,50 |
3,00 |
3,50 |
4,00 |
4,50 |
5,08 |
||||||
|
|
0,45 |
0,90 |
1,35 |
1,80 |
2,25 |
2,70 |
3,15 |
3,60 |
4,05 |
4,30 |
||||||
|
|
0,41 |
0,82 |
1,23 |
1,64 |
2,05 |
2,46 |
2,87 |
3,28 |
3,69 |
4,00 |
||||||
|
|
0,37 |
0,74 |
1,11 |
1,48 |
1,85 |
2,22 |
2,59 |
2,95 |
3,33 |
3,70 |
||||||
|
|
0,35 |
0,69 |
1,04 |
1,38 |
1,73 |
2,07 |
2,41 |
2,75 |
3,11 |
3,45 |
||||||
|
|
0,32 |
0,64 |
0,96 |
1,28 |
1,60 |
1,92 |
2,24 |
2,58 |
2,88 |
3,20 |
||||||
|
|
0,30 |
0,60 |
0,90 |
1,20 |
1,50 |
1,80 |
2,10 |
2,40 |
2,70 |
3,00 |
||||||
|
|
0,28 |
0,55 |
0,84 |
1,12 |
1,40 |
1,66 |
1,96 |
2,29 |
2,52 |
2,80 |
||||||
|
|
0,27 |
0,53 |
0,80 |
1,06 |
1,33 |
1,59 |
1,85 |
2,12 |
2,38 |
2,65 |
||||||
|
|
0,25 |
0,50 |
0,75 |
1,00 |
1,25 |
1,50 |
1,75 |
2,00 |
2,25 |
2,50 |
||||||
|
|
0,24 |
0,48 |
0,72 |
0,96 |
1,20 |
1,44 |
1,68 |
1,92 |
2,16 |
2,40 |
||||||
|
|
0,23 |
0,45 |
0,68 |
0,90 |
1,13 |
1,35 |
1,58 |
1,80 |
2,03 |
2,25 |
||||||
|
|
0,22 |
0,43 |
0,65 |
0,88 |
1,08 |
1,29 |
1,51 |
1,72 |
1,94 |
2,16 |
||||||
|
|
0,21 |
0,41 |
0,62 |
0,86 |
1,09 |
1,23 |
1,44 |
1,64 |
1,85 |
2,05 |
||||||
|
|
0,20 |
0,40 |
0,60 |
0,80 |
1,00 |
1,20 |
1,40 |
1,56 |
1,80 |
2,00 |
||||||
|
|
0,19 |
0,38 |
0,57 |
0,76 |
0,95 |
1,14 |
1,33 |
1,50 |
1,71 |
1,90 |
||||||
|
|
0,19 |
0,37 |
0,56 |
0,74 |
0,93 |
1,11 |
1,30 |
1,48 |
1,59 |
1,85 |
||||||
|
|
0,18 |
0,35 |
0,53 |
0,70 |
0,88 |
1,05 |
1,23 |
1,40 |
1,57 |
1,76 |
||||||
Дворядне заземлення |
||||||||||||||||
2x10 |
0,25 |
0,49 |
0,74 |
0,98 |
1,23 |
1,47 |
1,72 |
1,96 |
2,21 |
2,45 |
||||||
2x11 |
0,22 |
0,44 |
0,66 |
0,88 |
1,10 |
1,32 |
1,54 |
1,76 |
1,98 |
2,20 |
||||||
2x12 |
0,21 |
0,41 |
0,62 |
0.82 |
1,03 |
1,23 |
1,44 |
1,64 |
1,85 |
2,05 |
||||||
2x13 |
0,20 |
0,39 |
0,59 |
0,78 |
1,98 |
1,17 |
1,37 |
1,55 |
1,76 |
1,95 |
||||||
2х14 |
0 IQ |
0 37 |
0 55 |
0,74 |
0,93 |
1.11 |
1,30 |
1,48 |
1,67 |
1,85 |
||||||
2x15 |
0,18 |
0,35 |
0,59 |
0,70 |
0,88 |
1,05 |
1,23 |
1,40 |
1,58 |
1,75 |
||||||
2x16 |
0,17 |
0,33 |
0,50 |
0,66 |
0,83 |
0,99 |
1,16 |
1,32 |
1,49 |
1,65 |
||||||
Продовження табл.5 |
||||||||||||||||
|
||||||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
||||||
2x17 |
0,16 |
0,31 |
0,47 |
0,62 |
0,78 |
0,93 |
1,09 |
1,24 |
1,40 |
1,58 |
||||||
2x18 |
0,15 |
0,30 |
0,45 |
0,60 |
0,75 |
0,90 |
1,05 |
1,20 |
1,35 |
1,50 |
||||||
2x19 |
0,14 |
0,28 |
0,43 |
0,56 |
0,70 |
0,84 |
0,98 |
1,12 |
1,26 |
1,40 |
||||||
2x20 |
0,14 |
0,27 |
0,41 |
0,54 |
0,68 |
0,81 |
0,95 |
1,08 |
1,22 |
1,35 |
||||||
2x21 |
0,13 |
0,26 |
0,40 |
0,53 |
0.66 |
0,79 |
0,92 |
1,06 |
1,19 |
1,32 |
||||||
2х22 |
0,13 |
0,26 |
0,39 |
0,52 |
0,65 |
0.78 |
0,91 |
1,04 |
1.17 |
1,30 |
||||||
2х23 |
0,13 |
0,25 |
0,38 |
0,50 |
0,63 |
0.75 |
0,88 |
1,00 |
1,13 |
1,25 |
||||||
2х24 |
0,12 |
0.24 |
0,36 |
0,48 |
0,58 |
0,72 |
0,84 |
0,95 |
1,08 |
1,20 |
||||||
2x25 |
0,12 |
0,23 |
0,35 |
0,46 |
0,50 |
0,60 |
0,81 |
0,92 |
1,04 |
1,13 |
||||||
Таблиця 6-Опір заземлення з вертикальних графітопластових електродів довжиною 3 м
Кількість електродів |
Питомий опір ґрунту, Ом м |
|||||||||||||||||
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
||||||||
Однорядне заземлення |
||||||||||||||||||
|
|
0,54 |
1,08 |
1,82 |
2,15 |
2,70 |
3,24 |
3,73 |
4,32 |
4,73 |
5,00 |
||||||||
|
|
0,47 |
0,94 |
1,41 |
1,88 |
2,35 |
2,80 |
3,29 |
3,75 |
4,73 |
5,00 |
||||||||
|
|
0,42 |
0,84 |
1,20 |
1,68 |
2,10 |
2,52 |
2,94 |
3,35 |
3,79 |
4,20 |
||||||||
|
|
0,37 |
0,74 |
1,11 |
1,51 |
1,85 |
2,20 |
2,59 |
2,95 |
3,25 |
3,70 |
||||||||
|
|
0,35 |
0,70 |
1,05 |
1,40 |
1,75 |
2,10 |
2,45 |
2,80 |
3,15 |
3,50 |
||||||||
|
|
0,33 |
0,66 |
1,99 |
1,32 |
1,65 |
1,93 |
2,31 |
2,64 |
2,97 |
3,30 |
||||||||
|
|
0,29 |
0,58 |
0,97 |
1,10 |
1,45 |
1,74 |
2,03 |
2,32 |
2,61 |
2,90 |
||||||||
|
|
0,26 |
0,51 |
0,77 |
1,02 |
1,28 |
1,54 |
1,79 |
2,06 |
2,30 |
2,55 |
||||||||
|
|
0,24 |
0,49 |
0,73 |
0,98 |
1,22 |
1,45 |
1,71 |
1,95 |
2,20 |
2,44 |
||||||||
|
|
0,23 |
0,47 |
0,70 |
0,94 |
1,17 |
1,40 |
1,64 |
1,88 |
2,11 |
2,34 |
||||||||
|
|
0,23 |
0,45 |
0,68 |
0,90 |
1,14 |
1,36 |
1,59 |
1,82 |
2,04 |
2,27 |
||||||||
|
|
0,22 |
0,44 |
0,65 |
0,88 |
1,10 |
1,32 |
1,54 |
1,75 |
1,98 |
2,20 |
||||||||
|
|
0,22 |
0,43 |
0,64 |
0,86 |
1,08 |
1,30 |
1,54 |
1,73 |
1,94 |
2,16 |
||||||||
|
|
0,21 |
0,42 |
0,64 |
0,85 |
1,06 |
1,27 |
1,48 |
1,70 |
1,91 |
2,12 |
||||||||
|
|
0,21 |
0,42 |
0,53 |
0,84 |
1,05 |
1,25 |
1,47 |
1,68 |
1,39 |
2,10 |
||||||||
|
|
0,21 |
0,42 |
0,53 |
0,84 |
1,05 |
1,25 |
1,45 |
1,58 |
1,33 |
2,09 |
||||||||
Однорядне заземлення |
||||||||||||||||||
2х5 |
0,27 |
0,54 |
0,81 |
1,08 |
1,35 |
1,62 |
1,89 |
2,16 |
2,43 |
2,70 |
||||||||
2х6 |
0,24 |
0,47 |
0,70 |
0,94 |
1,18 |
1,48 |
1,64 |
1,88 |
2,12 |
2,35 |
||||||||
2х7 |
0,21 |
0,42 |
0,63 |
0,84 |
1,05 |
1,26 |
1,47 |
1,68 |
1,89 |
2,10 |
||||||||
2х8 |
0,19 |
0,37 |
0,56 |
0,74 |
0,92 |
1,11 |
1,30 |
1,48 |
1,65 |
1,85 |
||||||||
2х9 |
0,18 |
0,35 |
0,52 |
0,70 |
0,88 |
1,05 |
1,22 |
1,40 |
1,58 |
1,75 |
||||||||
Продовження табл. 6 |
||||||||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
||||||||
2х10 |
0,16 |
0,33 |
0,50 |
0,65 |
0,82 |
0,99 |
1,16 |
1,32 |
1,48 |
1,65 |
||||||||
2х11 |
0,14 |
0,29 |
0,44 |
0,58 |
0,72 |
0,87 |
1,02 |
1,16 |
1,30 |
1,45 |
||||||||
2х12 |
0,13 |
0,26 |
0,38 |
0,51 |
0,64 |
0,77 |
0,90 |
1,02 |
1,15 |
1,28 |
||||||||
2х13 |
0,12 |
0,24 |
0,37 |
0,49 |
0,61 |
0,73 |
0,85 |
0,98 |
1,10 |
1,22 |
||||||||
2х14 |
0,12 |
0,23 |
0,36 |
0,47 |
0,58 |
0,70 |
0,82 |
0,95 |
1,05 |
1,17 |
||||||||
2х15 |
0,11 |
0,23 |
0,34 |
0,46 |
0,57 |
0,68 |
0,80 |
0,91 |
1,03 |
1,14 |
||||||||
2х16 |
0,11 |
0,22 |
0,33 |
0,44 |
0,55 |
0,66 |
0,77 |
0,88 |
0,99 |
1,10 |
||||||||
2х17 |
0,11 |
0,22 |
0,32 |
0,43 |
0,54 |
0,65 |
0,76 |
0,86 |
0,97 |
1,08 |
||||||||
2х18 |
0,11 |
0,21 |
0,32 |
0,42 |
0,53 |
0,64 |
0,74 |
0,85 |
0,95 |
1,06 |
||||||||
2х19 |
0,10 |
0,21 |
0,32 |
0,42 |
0,52 |
0,63 |
0,73 |
0,84 |
0,94 |
1,05 |
||||||||
2х20 |
0,10 |
021 |
0,31 |
0,42 |
0,52 |
0,62 |
0,73 |
0,83 |
0,93 |
1,04 |
||||||||
Поздовжній опір трубопроводу визначають за формулою:
=
7,725 • 10-6 Ом/м,
де
=
0,245 (Ом - м) для сталі.
Перехідний опір «труба – земля» визначають за формулою:
Де
вибирають з табл. 4 даного розрахунку .
Для заданого питомого опору ґрунту
=
30 Ом • м:
=2000 Ом • м.
Стала поширення струму вздовж трубопроводу є основним параметром, що характеризує довжину зони захисту.
Вхідний опір трубопроводу в початковий період можна визначити:
Для визначення відстані між трубопроводом і анодним заземленням у користуємось номограмою (рис. 2) і за питомим опором ґрунту знаходимо величину Р. Для даного прикладу Р = 5,8.
Тоді
=
171 м
Відстань
між катодними установками (плече захисту)
можна визначити, попередньо знайшовши
на номограмі (рис. 2),
величину
Q
за заданим значенням
.
У даному прикладі Q = 0,83.
Тоді
м.
Сила струму в точці дренажу в початковий період роботи УКЗ:
А.
Для визначення напруги на виході катодної станції необхідно спочатку визначити переріз дренажних проводів:
мм2
Опір дренажних проводів:
0,37
Ом.
Загальна кількість електродів:
де
-
перехідний опір горизонтального електрода, Ом;
Ом.
|
|
Ом.
Тоді
|
|
;
Опір розтікання анодного заземлення беремо з табл. 5 і 6:
для =30 Ом • м і n= І5 графітопластових вертикальних електродів, розташованих у один ряд.
=
0.68.
Тоді напруга на виході катодної станції:
Uп=15,3 • (0,034 + 0,37+0,68)== 16,5 В.
Потужність на виході катодної станції в початковий період експлуатації трубопроводу:
=15.3
• 16.5 = 253 Вт.
Відомо, що величина сили струму в точці дренажу в кінцевий період роботи катодного захисту через 10 років може бути визначена:
А
Перехідний опір «труба-земля» для періоду експлуатації трубопроводу через 10 років визначається:
=
156 Ом
Вхідний опір у цьому випадку буде дорівнювати:
Ом.
Напруга на виході катодної станції в кінцевий період експлуатації трубопроводу:
UК = 38,3 (0.0173 + 0,37 + 0,68) -40,8 В.
Потужність на виході катодної станції в кінцевий період експлуатації трубопроводу:
WK = 38,3 . 40,8= 1563 Вт.
До встановлення може бути прийнятим перетворювач автоматичний, сітьовий ПАСК-М-2 з номінальною потужністю на виході 2000 Вт.
У теперішній час основним методом боротьби з корозією є електрохімзахист (ЕХЗ). Статистика експлуатації засобів ЕХЗ показує, що прийнятий на практиці період огляду діючих пристроїв (два раза на місяць) допускає виведення з ладу їх у межах 15-30%; щотижневий огляд дає змогу підвищити надійність до 85—91%, а безперервний дистанційний контроль роботи установок катодного захисту дозволяє звести до мінімуму простої засобів захисту до 1—2%. Для підвищення надійності засобів ЕХЗ виконують заміну морально застарілого устаткування (катодних станцій КС і заземлювачів ЗКА) на сучасніші засоби активного захисту: перетворювачі для катодного захисту ПАСК, ПСК, ТДЕ, графітопластові електроди, глибинні заземлення тощо. Крім необхідного запасу за потужністю, перетворювачі ПАСК, ПСК знижують кількість відмов у роботі СКЗ, а також продовжують у два раза термін служби анодних заземлювачів через збільшення вихідної напруги станції катодного захисту на 100 %. Технічну характеристику СКЗ подано в табл. 7.
Крім указаних у таблиці неавтоматичних станцій КЗ, можуть використовуватись У КЗ автономні з моторгенератором, автоматизовані електростанції з термоелектрогенератором АЕС-ТЕГ. Джерелом живлення для них служить природний газ.
Для підвищення експлуатаційної надійності засобів ЕХЗ було створено систему безперервного дистанційного контролю (телеконтролю) за роботою установок катодного захисту типу ТКЗ-2М, ТКЗ-4, в яких передачу інформації виконують по високонадійному фізичному каналу «труба — земля».
Але ці системи через велику кількість конструктивних недоліків не знайшли широкого застосування і в Україні не застосовують. У теперішній час розробляють нову систему телеконтролю за роботою УКЗ, яка буде складовою частиною системи телеконтролю й телеуправління МГ що розробляють на запорізькому підприємстві «Хартрон» (система «Хортиця») й інститутом НДПІАСУтрансгаз (м. Харків).